我們都知道，引力是一種基本的自然力，它使得所有的物體互相吸引。牛頓給出了引力的經(jīng)典公式，即兩個(gè)物體之間的引力正比于它們的質(zhì)量之積，反比于它們的距離的平方。這個(gè)公式可以很好地解釋行星的運(yùn)動(dòng)，以及地球上的重力現(xiàn)象。但是，當(dāng)我們考慮更強(qiáng)大的引力場(chǎng)時(shí)，牛頓的引力就不夠用了。愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論給出了一個(gè)更完善的引力理論，它把引力解釋為時(shí)空的彎曲。廣義相對(duì)論可以解釋一些牛頓引力無(wú)法解釋的現(xiàn)象，比如引力紅移，引力透鏡，以及最近被直接探測(cè)到的引力波。

然而，廣義相對(duì)論也有它的局限性。它是一個(gè)經(jīng)典的理論，也就是說(shuō)它沒(méi)有考慮到量子力學(xué)的效應(yīng)。量子力學(xué)是描述微觀世界的物理理論，它告訴我們，物質(zhì)和能量是以離散的量子的形式存在的，而且有不確定性和概率性的特征。量子力學(xué)和廣義相對(duì)論之間的關(guān)系是一個(gè)尚未解決的難題，我們還沒(méi)有一個(gè)能夠同時(shí)描述引力和量子的理論，也就是所謂的量子引力理論。

為了尋找量子引力理論的線索，我們需要在實(shí)驗(yàn)上探測(cè)引力和量子的交叉現(xiàn)象。比如，我們可以問(wèn)，一個(gè)處于量子疊加態(tài)的物體，會(huì)產(chǎn)生怎樣的引力場(chǎng)？或者，兩個(gè)處于量子糾纏態(tài)的物體，會(huì)不會(huì)有引力糾纏？這些問(wèn)題聽(tīng)起來(lái)很奇妙，也很有意義。它們可以幫助我們理解引力的本質(zhì)，以及它和量子的關(guān)系。

但是，要回答這些問(wèn)題，我們需要有一種方法，能夠在實(shí)驗(yàn)室里精確地測(cè)量微小物體之間的引力。這并不容易，因?yàn)橐κ且环N非常弱的力，它很容易被其它的力所掩蓋。比如，電磁力，摩擦力，空氣阻力，熱噪聲等，都會(huì)對(duì)微小物體的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響，使得引力的效應(yīng)難以觀察。

那么，有沒(méi)有一種方法，能夠把微小物體從其它的力中隔離出來(lái)，只讓它們受到引力的作用呢？答案是有的，那就是利用懸浮技術(shù)。懸浮技術(shù)是一種讓物體在空中靜止或運(yùn)動(dòng)的技術(shù)，它可以利用不同的原理，比如磁力，電力，聲力，光力等。懸浮技術(shù)可以把物體從接觸力，摩擦力，空氣阻力等干擾因素中解放出來(lái)，使得物體的運(yùn)動(dòng)更加自由和靈敏。如果我們能夠用懸浮技術(shù)來(lái)操縱微小物體，那么我們就有可能測(cè)量它們之間的引力。

這就是最近發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上的一篇論文的主要內(nèi)容。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的主要設(shè)備是一個(gè)由鉭制成的超導(dǎo)陷阱，它的形狀是一個(gè)圓柱體，高度為10厘米，直徑為5厘米。這個(gè)超導(dǎo)陷阱的作用是產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的磁場(chǎng)，用來(lái)懸浮一個(gè)磁性粒子。這個(gè)粒子的質(zhì)量為0.4毫克，直徑為0.5毫米，由氧化鐵和樹(shù)脂制成。這個(gè)粒子被放在超導(dǎo)陷阱的中心位置，然后用一個(gè)低溫制冷機(jī)，把超導(dǎo)陷阱的溫度降到4.2開(kāi)爾文，使得它進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)。這樣，這個(gè)粒子就被磁懸浮在空中，而且可以在三個(gè)方向上自由振動(dòng)。

為了測(cè)量這個(gè)粒子的振動(dòng)，作者使用了一種光學(xué)干涉技術(shù)，即激光多普勒冷卻。這種技術(shù)的原理是，利用一束激光，照射在這個(gè)粒子上，然后用一個(gè)光電探測(cè)器，接收反射回來(lái)的激光。由于多普勒效應(yīng)，當(dāng)這個(gè)粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)，它會(huì)改變反射激光的頻率。這樣，通過(guò)測(cè)量反射激光的頻率變化，就可以得到這個(gè)粒子的速度和位置信息。同時(shí)，這個(gè)激光還有一個(gè)作用，就是對(duì)這個(gè)粒子施加一個(gè)與它的速度成正比的反向力，從而使得它的振動(dòng)減弱，達(dá)到冷卻的效果。這樣，這個(gè)粒子的溫度可以降到微開(kāi)爾文的量級(jí)，也就是接近絕對(duì)零度。

為了對(duì)這個(gè)粒子施加引力梯度，作者使用了一些重達(dá)一公斤的黃銅塊，作為引力源。這些黃銅塊被安裝在一個(gè)旋轉(zhuǎn)的平臺(tái)上，可以以一定的角速度和角加速度旋轉(zhuǎn)。當(dāng)這些黃銅塊旋轉(zhuǎn)時(shí)，它們會(huì)對(duì)這個(gè)粒子產(chǎn)生一個(gè)周期性的引力梯度，從而使得這個(gè)粒子的振動(dòng)頻率和振幅發(fā)生變化。作者通過(guò)調(diào)節(jié)這些黃銅塊的位置、數(shù)量、旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)方向，來(lái)改變引力梯度的大小和方向。他們還使用了一個(gè)電子天平，來(lái)測(cè)量這些黃銅塊的質(zhì)量，以及一個(gè)光電編碼器，來(lái)測(cè)量這些黃銅塊的旋轉(zhuǎn)角度。這樣，他們就可以精確地控制和計(jì)算引力梯度的值。

他們發(fā)現(xiàn)，他們能夠在10^-18牛頓的力靈敏度下，觀察到引力的信號(hào)。這是目前實(shí)驗(yàn)室里測(cè)量引力的最低力靈敏度，也是第一次用懸浮的微小粒子來(lái)探測(cè)引力。這篇論文的意義在于，它為實(shí)驗(yàn)室里的引力測(cè)量開(kāi)辟了一條新的途徑，也為未來(lái)的量子引力實(shí)驗(yàn)提供了一種可能的平臺(tái)。